海丹 宋莲军 乔明武 马燕 黄现青 高晓平
动物实验是食品毒理学实验教学中的重要部分，而在传统实验教学中，使用大量动物进行实验存在实验工程量大、成本较高和动物实验伦理等问题。在飞速发展的信息时代背景下，各种新型教学技术手段极大地改变了高校实验课的教学形态。其中，虚拟仿真技术能够辅助完成食品毒理学实验教学，提高教学效率，最大程度地减少实验动物使用量，从而提高学生对于食品毒理学动物实验的兴趣，提升教学效率和质量。与传统的教学方式相比，基于虚拟仿真实验的实验类教学具有更为广阔的应用前景。
一、食品毒理学实践教学存在的问题
新工科的改革要落实立德树人根本任务，聚焦人才培养的核心要素、关键环节，立足当前、着眼长远，使理论与实际相结合，切实提高人才培养质量。面对传统教学实践中出现的热点、难点、重点问题，高校教师应利用自己的专业知识，结合新技术、新手段、新模式，探索培养学生的新举措，提高学生的实践能力和整体素质。
食品毒理学课程是研究并分析毒物等物质作用机理的一门重要学科，实践性和应用性均较强，可以为食品安全性评估和监控提供详细和确凿的理论依据。动物实验在食品毒理学实践教学中占有很大部分，以往学生只能通过教材或视频进行学习，教学效果不是很理想。总的来看，动物实验教学主要存在四方面的问题。
首先，动物实验需要購买实验动物，在严格的饲养环境下给药、饲养，后期会进行解剖分析等，这些都需要大量的经费、实验试剂耗材、设备场所等，导致传统的动物实验往往开展规模较小，学生不能一一进行操作。其次，某些毒物毒性较小，进行慢性毒理学实验往往耗费时间较长，若学生在实验期间操作出现失误，实验周期将被迫延长。再次，学生如果心理素质较差或不具备良好的实践操作能力，进行动物实验时会因为过度紧张对动物造成机械性损伤甚至致死。而且动物实验中往往会接触乙醚等易挥发毒性化合物，操作不当就会出现问题，因此需要准备较多实验动物以保证实验的顺利进行。最后，动物实验不但成本高、操作复杂，而且越来越多的研究学者发现动物模型和人类疾病模型存在较大差异，临床实验后发现模型标准化与人类疾病存在差异、剂量与人群实际接触剂量存在差异、动物反应与人群易感性存在差异。
总之，食品毒理学实践教学中的传统动物实验不能满足目前的教学目标，亟需解决这一问题。
二、虚拟仿真实验教学的重要性
随着信息技术的发展，越来越多的先进技术被引进到高校的教学过程中，包括3D打印/快速成型、电子出版、云计算、虚拟仿真和远程实验室、可视化数据分析、立体显示和全息显示、虚拟助手等在内的很多新技术、新方法都已得到了广泛利用，取得了不错的教学效果。
其中，虚拟仿真实验教学是一种新型的教学形式，依托虚拟现实、人机交互、数据库等技术，建立起高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，会有身临其境之感，更加容易理解实验步骤与注意事项。同时，虚拟仿真教学系统能在很大程度上降低实验动物的使用量，解决食品毒理学课程实验教学的一大难点。
总之，虚拟仿真技术通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合，可以破解高等学校特别是高等工科院校实验教学中许多“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题，是一种新型的“实践+智能+全面教育”的教学形式。
三、虚拟仿真技术的优点
1.具有完备的食品毒理学数据库。针对食品中可能出现的各种化学物质的安全性问题，国家食品安全风险评估中心先后建立了我国常用的食品添加剂毒理学数据库、有毒有害物质毒性数据库，后又把药食同源以及中药成分的毒理学数据录入数据库，建立完成了“国家食品毒理学数据库系统”。数据库的建立为食品毒理学实验教学提供了第一手的参考资料，为相关优先物质的毒理学安全性评价提供了依据，为应急风险评估提供了技术支持，有利于虚拟仿真技术的构建及实践。
2.让学生有身临其境之感。学生通过观看虚拟仿真教学系统中的动画视频可以了解动物实验的真实环境，以第一视角学习实验的原理、探索实验的具体操作步骤和注意事项，会有身临其境的感觉，从而提高学习热情。同时，学生在多次练习的过程中会掌握各种小细节，加深对细节的印象，防止日后在真实环境下进行实验操作时出现失误。
3.沟通方式更加便捷。传统的食品毒理学实验教学中，教师一般要面对三十多位学生，受上课时间的限制，很难及时回应学生提出的各种问题。而在虚拟仿真教学系统中，师生可随时在线进行沟通，学生提出提问后，后台的所有教师都可以回答，从而帮助学生解决问题。
4.有利于帮助学生设计实验。学生进行食品毒理学实验学习的目的是掌握实验操作技术，为今后自主设计实验打下基础。虚拟仿真系统可以展示详细、清晰的实验思路与设计步骤，能够帮助学生掌握实验设计步骤、整理设计思路，提升学生的自主性和创新性，为日后自己设计实验打下坚实的基础。
四、虚拟仿真实验教学
在食品毒理学中的应用
1.整合虚拟仿真实验资源。建立虚拟仿真实验的关键是采用虚拟现实、人机交互、数据库等技术，根据教学需求设计出虚拟实验场景、虚拟环境、虚拟仪器设备等。因此，高校要充分整合本校食品、生物、医学等不同专业的实验教学资源，提高教学能力，降低实验成本和风险。
2.搭建虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验项目要以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以实验教学项目为基础，形成专业布局合理、教学效果良好、开放共享有效的信息化实验教学新体系，努力建设统一且具有开放性、扩展性、兼容性、前瞻性的虚拟仿真实验教学平台，实现省内的虚拟实验教学资源共享，满足多学科专业、多学校和多地区开展虚拟仿真实验教学的需要。
3.提高虚拟仿真实验教师的水平。坚持德才统一、引培并重的原则，打造热爱教学、知识丰富、能力过硬的教学团队，保障虚拟仿真实验教学的效果。健全完善教学队伍考核、奖励、监督机制，鼓励和支持教师参与虚拟仿真实验教学的项目研发和教学实践，不断提高业务水平。通过组建专家团队、开展虚拟仿真实验教学研究，推动虚拟仿真教学体系与教学内容的重构与创新。
综上，在食品毒理学的实践教学环节中引入虚拟仿真技术，可以突破时间、地点和设备数量等的限制，让学生在一个更“安全”的环境下做实验，并且可以反复操作，不必担心所消耗的动物数量以及动物福利等问题，同时能增强实验教学的趣味性，提高学生的积极性，最终提高实验教学效果、节省实验成本。
基金项目：河南农业大学教学研究项目（2022XJGLX037）；
河南省研究生课程思政示范课程项目（YJS2023SZ14）。
作者简介：海丹（1987-），女，河南郑州人，讲师，博士，研究方向为食品营养与安全控制。
通信作者：高晓平（1976-），男，河南安阳人，副教授，研究方向为畜产品加工与质量安全控制。
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